專(zhuān)利名稱(chēng)：光學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)傳感器和光學(xué)傳感的方法。
背景技術(shù)：
能夠以高靈敏度并實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)生物相互作用的傳感器在生命科學(xué)研究和エ業(yè)兩者中都具有相當(dāng)大的重要性。存在監(jiān)測(cè)作為分子間相互作用的結(jié)果的生物樣本的折射率(或其它光學(xué)性質(zhì))的變化的多個(gè)傳感器。可以作為通過(guò)樣本的光的性質(zhì)(例如強(qiáng)度)的變化來(lái)測(cè)量樣本的光學(xué)性質(zhì)的此類(lèi)變化。在典型的傳感器中，光被耦合進(jìn)光學(xué)波導(dǎo)的導(dǎo)模中。與導(dǎo)模相關(guān)聯(lián)的倏逝波延伸到生物樣本中，其可以例如被保持在凝膠中或液體形式中。在一些傳感器中，可以通過(guò)修改光被耦合進(jìn)波導(dǎo)中的入射角來(lái)調(diào)諧倏逝波延伸到生物樣本中的深度。如果在生物樣本中發(fā) 生變化，則生物樣本的折射率將改變。與導(dǎo)模相關(guān)聯(lián)的倏逝波經(jīng)歷了折射率的此變化。因此通過(guò)監(jiān)測(cè)從光學(xué)波導(dǎo)的導(dǎo)模輸出的光，可以觀察到在生物樣本中發(fā)生的變化。期望的是檢測(cè)水內(nèi)的污染物。對(duì)于超純水而言情況尤其如此，其可以例如被用于化學(xué)測(cè)定或靜脈注射。在這種情況下，水不僅應(yīng)沒(méi)有例如細(xì)菌的生物制劑，而且還應(yīng)沒(méi)有生物制劑產(chǎn)生的內(nèi)毒素。檢測(cè)水中的細(xì)菌的ー些方法檢測(cè)活細(xì)菌的作用并因此這些方法對(duì)內(nèi)毒素不敏感。這些方法還對(duì)死細(xì)菌或壞了的細(xì)菌不敏感。其它方法檢測(cè)指示細(xì)菌的最近存在的酶的作用。然而，為了這起作用，酶不能已經(jīng)變性。也就是說(shuō)，酶必須仍起作用以便能夠檢測(cè)其作用。以上兩種方法通常都要求使用附加試劑?？梢允褂矛F(xiàn)有技術(shù)方法來(lái)檢測(cè)內(nèi)毒素。然而，用來(lái)檢測(cè)內(nèi)毒素的方法通常要求受控條件和附加試劑的使用。一個(gè)此類(lèi)方法涉及馬蹄蟹(美洲鱟)的變形細(xì)胞血細(xì)胞的使用。血細(xì)胞在被置干與細(xì)菌內(nèi)毒素接觸時(shí)形成凝塊，即使在非常低的內(nèi)毒素濃度下。檢測(cè)細(xì)菌和內(nèi)毒素的以上方法是低效的且在ー些情況下可能是無(wú)效的。此外，其無(wú)助于針對(duì)污染物的水的連續(xù)監(jiān)測(cè)。期望克服或緩解以上缺點(diǎn)中的至少ー個(gè)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了ー種光學(xué)傳感器，該光學(xué)傳感器包括具有傳感層的波導(dǎo)，傳感層被分子壓印，使得傳感層接收并保留將被傳感的目標(biāo)實(shí)體，該光學(xué)傳感器還包括檢測(cè)設(shè)備，檢測(cè)設(shè)備被設(shè)置為檢測(cè)當(dāng)傳感層接收并保留目標(biāo)實(shí)體時(shí)發(fā)生的波導(dǎo)的光學(xué)性質(zhì)的變化。傳感層可以包括具有適合于接收目標(biāo)實(shí)體的形狀的接收位點(diǎn)。傳感層可以包括具有與目標(biāo)實(shí)體的官能團(tuán)互補(bǔ)的官能團(tuán)的接收位點(diǎn)。傳感層可以是多孔的。其中檢測(cè)到變化的光學(xué)性質(zhì)可以是折射率。
目標(biāo)實(shí)體可以是有機(jī)磷酸酯化合物或生物分子，例如核糖核酸酶，其可以是非活性的。波導(dǎo)可以是漏模波導(dǎo)。波導(dǎo)可以包括具有比傳感層的折射率高的折射率的材料層。材料層可以是金屬層。傳感層可以是聚合物層。聚合物可以是碳基或硅基聚合物。傳感器可以形成作為水凈化系統(tǒng)的部分的污染檢測(cè)器的部分。根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了ー種使用光學(xué)傳感器的光學(xué)傳感方法，該光學(xué)傳感器包括具有傳感層的波導(dǎo)，傳感層被分子壓印，使得其接收并保留目標(biāo)實(shí)體，所述方法包括將傳感器的一部分定位于流體流動(dòng)路徑中，該流體流動(dòng)從而接觸傳感層的至少ー個(gè)表面，將光耦合進(jìn)波導(dǎo)的導(dǎo)模中，使得傳感層接收光中的至少ー些，并監(jiān)測(cè)從波導(dǎo)輸出的光的性質(zhì)，該性質(zhì)在分子壓印層接收并保留目標(biāo)實(shí)體的情況下改變。傳感層相對(duì)于流動(dòng)流體而言可以是多孔的，從而允許流體流入傳感層。傳感層可以包括具有適合于接收目標(biāo)實(shí)體的形狀的接收位點(diǎn)。傳感層可以包括具有與目標(biāo)實(shí)體的官能團(tuán)互補(bǔ)的官能團(tuán)的接收位點(diǎn)。被監(jiān)測(cè)的輸出光的性質(zhì)可以是光的強(qiáng)度和/或從波導(dǎo)輸出的光的角度。將被傳感的實(shí)體可以是核糖核酸酶，其可以是非活性的。流體可以是水。被傳感的實(shí)體可以是污染物或污染物的產(chǎn)物。根據(jù)以下描述，本發(fā)明的各種方面的其它優(yōu)選和有利特征將是顯而易見(jiàn)的。


現(xiàn)在將僅以實(shí)施例的方式參考附圖來(lái)描述本發(fā)明的特定實(shí)施方式，在所述附圖中圖I是依照本發(fā)明的實(shí)施方式的光學(xué)傳感器的橫截面示意圖；
圖2和3是圖I所示的光學(xué)傳感器的波導(dǎo)的橫截面示意圖；圖4a、4b和4c是依照本發(fā)明的用來(lái)產(chǎn)生分子壓印聚合物的過(guò)程的圖；圖5是由圖4a至4c所示的過(guò)程所產(chǎn)生的分子聚合物腔體接收目標(biāo)實(shí)體的過(guò)程的圖；圖6是示出波導(dǎo)的反射率與光在波導(dǎo)上的入射角之間的關(guān)系的第--般方案的
圖表；圖7是示出波導(dǎo)的反射率與光在波導(dǎo)上的入射角之間的關(guān)系的第二一般方案的圖表；圖8是示出波導(dǎo)的反射率與光在波導(dǎo)上的入射角之間的關(guān)系的第三一般方案的圖表；圖9是示出峰值像素與基線像素的位置之間的差的圖表，該差為對(duì)于兩個(gè)單獨(dú)波導(dǎo)而言波導(dǎo)被暴露的目標(biāo)實(shí)體的濃度的函數(shù)，兩個(gè)單獨(dú)波導(dǎo)中的ー個(gè)包括依照本發(fā)明的實(shí)施方式的分子壓印聚合物傳感層且另ー個(gè)包括非分子壓印聚合物傳感層。圖10是示出作為目標(biāo)實(shí)體暴露的濃度的函數(shù)的使用包括根據(jù)本發(fā)明的分子壓印聚合物傳感層的波導(dǎo)與使用具有非分子壓印聚合物傳感層的波導(dǎo)的峰值像素的位置之間的差的圖表；
圖11是圖2和3所不的光學(xué)傳感器的波導(dǎo)的橫截面不意圖和折射率的相應(yīng)圖表；圖12是光學(xué)傳感器的替換波導(dǎo)的橫截面示意圖和折射率的相應(yīng)圖表；圖13是示出可以形成根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)傳感器的一部分的幾個(gè)波導(dǎo)的第一響應(yīng)的圖表，每個(gè)波導(dǎo)具有使用不同的參數(shù)已被旋涂的分子壓印聚合物層。圖14是示出圖13的波導(dǎo)的第二響應(yīng)的圖表；圖15是示出波導(dǎo)的第一響應(yīng)的圖表，該波導(dǎo)可以在多個(gè)條件下形成根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)傳感器的一部分；以及圖16是示出在所述多個(gè)條件下的圖15的波導(dǎo)的第二響應(yīng)的圖表。
具體實(shí)施例方式參考圖1，光學(xué)傳感器10包括位于棱鏡14上的波導(dǎo)12。來(lái)自光源16的光經(jīng)由準(zhǔn)直透鏡18、孔徑光闌20、第一起偏振器22、第一會(huì)聚透鏡24和棱鏡14直接射向波導(dǎo)12。起偏振器22用來(lái)選擇適當(dāng)?shù)钠窆狻９饨?jīng)由棱鏡進(jìn)入波導(dǎo),棱鏡將光稱(chēng)合進(jìn)波導(dǎo)。一些光隨后漏出波導(dǎo)12并通過(guò)棱鏡14。光從棱鏡14行進(jìn),經(jīng)由第二會(huì)聚透鏡26、相對(duì)于第一起偏振器22交叉的第二起偏振器28并進(jìn)入檢測(cè)器30。檢測(cè)器30是例如光電ニ極管或CXD陣列的光強(qiáng)度檢測(cè)器。可以使用任何適當(dāng)?shù)妮椛錂z測(cè)器。在一些實(shí)施方式中，可以省略第二起偏振器28。圖2更詳細(xì)地示出波導(dǎo)12的一部分。波導(dǎo)12包括在金屬層38上提供的傳感層34。使波導(dǎo)12位于與導(dǎo)管32的流動(dòng)連通中，流體31流過(guò)導(dǎo)管32 (用箭頭A表示流動(dòng))。金屬層38是在基底36上提供的?？梢詫⒖梢岳缬墒⑿纬傻幕捉Y(jié)合到棱鏡14(參見(jiàn)圖I)。棱鏡14可以用來(lái)將光耦合進(jìn)并耦合出波導(dǎo)12。在一些實(shí)施方式中，金屬層38具有20nm的厚度。然而，可以使用金屬層38的任何適當(dāng)?shù)暮穸取＝饘賹?8的厚度可以例如在O. 5nm 和 200nm 之間。傳感層34是聚合物層，其可以例如是碳基或硅基的。與類(lèi)似的碳基的聚合物相比，硅基的聚合物的優(yōu)點(diǎn)是其能夠在存在空氣的情況下產(chǎn)生。使用碳基的聚合物，這是不可能的，因?yàn)槠湓诳諝庵信c氧反應(yīng)。特別地，如果碳基的聚合物是由自由基聚合過(guò)程形成的，則氧將與自由基反應(yīng)。硅基的聚合物可以包括例如線性硅氧烷或晶格狀溶膠-凝膠。為了有助于理解傳感層34工作的方式，首先考慮制造傳感層的方式是有益的。在處于流體狀態(tài)的同時(shí)(即在其固定之前)將聚合物層旋涂到金屬層38上。在旋涂期間，流體聚合物混合物中的表面張カ有助于確保傳感層34的表面40基本上是平的。這有助于使在使用期間從波導(dǎo)12返回的信號(hào)中的噪聲或損耗最小化(該噪聲或損耗可以是由由于傳感層中的表面缺陷而引起的散射所引起的)?？梢允褂眯糠椒ǖ奶鎿Q方法將聚合物層施加于金屬層38。此類(lèi)替換方法包括浸涂、噴涂和絲網(wǎng)印刷。圖4a至4c示意性地示出在傳感層34形成期間在傳感層34中發(fā)生的分子壓印過(guò)程。在圖4a所示的第一階段中，將與被傳感的實(shí)體類(lèi)似或相同結(jié)構(gòu)的實(shí)體與單體混合物和溶劑混合，使得混合物處于流體狀態(tài)。該單體混合物包括至少ー個(gè)類(lèi)型的官能単體，并且還可以包括至少ー個(gè)類(lèi)型的交聯(lián)單體。如下文更詳細(xì)地討論的，單體混合物內(nèi)的官能單體的目的與交聯(lián)單體的目的不同。與單體混合物混合的實(shí)體在這里被稱(chēng)為模板實(shí)體42。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)單體混合物的組分的適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量比是模板實(shí)體官能単體交聯(lián)單體為I : 4 : 20 ;并且單體混合物與溶劑的適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量比是3 4。然而，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的是可以使用単體混合物和溶劑的組成的任何其它的適當(dāng)?shù)谋嚷省Ｈ缟纤?，單體混合物包含官能單體44，每ー個(gè)官能單體44包括官能團(tuán)46。單體混合物可以包含不止ー個(gè)類(lèi)型的官能単體。每個(gè)類(lèi)型的官能単體具有不同的官能團(tuán)46(這些在圖4a中用不同的形狀來(lái)示意性地表示)。官能團(tuán)46與模板實(shí)體42的官能團(tuán)48互補(bǔ)。雖然在圖4a中示出了三個(gè)類(lèi)型的模板實(shí)體官能團(tuán)48，但模板實(shí)體可以具有任何數(shù)目的官能團(tuán)類(lèi)型。在存在模板實(shí)體42的情況下，單體官能團(tuán)46可以通過(guò)以下可逆相互作用類(lèi)型中的任何一個(gè)與相應(yīng)的模板實(shí)體官能團(tuán)48相互作用(a)可逆共價(jià)鍵，(b)被模板分裂激活以用于非共價(jià)相互作用的共價(jià)鍵合的可聚合的結(jié)合基團(tuán)，(C)靜電相互作用，(d)疏水或范德華相互作用(例如氫鍵合)，Ce)與金屬中心的配位，Cf)共鍵合，其涉及共價(jià)和非共價(jià)鍵合，以及(g)半共價(jià)鍵合，當(dāng)形成的初始鍵是共價(jià)的且后續(xù)鍵合是非共價(jià)的。單體44的官能團(tuán)46與模板實(shí)體42的相應(yīng)官能團(tuán)48相互作用，促使多個(gè)單體44將其自身設(shè)置在每個(gè)模板實(shí)體42周?chē)?如圖4a中所示)。単體44可以具有例如氨基和/或羧酸官能團(tuán)?？梢詫⒖赡艿墓倌軈g體按類(lèi)型分類(lèi)，包括丙烯酸樹(shù)脂、こ醇、飽和炔烴、胺、芳基、羧酸、酷或醚；或者按照包括酸性(即甲基丙烯酸)、中性(即苯こ烯)或堿性(即4-こ烯基吡啶)的性質(zhì)分類(lèi)。下面是ー些常見(jiàn)官能単體的列表，其可以適合于在制造分子壓印聚合物基質(zhì)時(shí)使用丙烯酸酯(丙烯酸(AA)、甲基丙烯酸(MMA)、三氟甲基丙烯酸(TFMAA)、亞甲基-2-丁ニ酸(MSA)、甲基丙烯酸N，V -ニ甲氨基こ酯(DMA))、丙烯酰胺(丙烯酰胺(AAm)、2-丙烯酰胺-2-甲基-1-丙烷磺酸(2-acrylamido-2-methyl-l-propane sulphonique acid) (AMPSA)、N_ (2_ 氨基こ基)-甲基丙烯酸胺(2AEMA)、甲基丙烯酸ニこ氨基こ酯(DAEMA))、苯こ烯(4-こ烯基安息香酸(4VBA)、2- (4-乙烯基苯基)-1，3-丙ニ醇(4ES)、(4-こ烯基苯基)甲基胺N，N' ニこ酸((4-vinylphenyl)methyl amine N, N’ diacetique acid) (VPMADA )、N, N' - ニこ基-(4_ こ烯基苯基)脈(D4VPA)、4-(1，4，7-三氮雜環(huán)壬烷-甲基)苯こ烯(4TCMS)、4_こ烯基苯硼酸(4-vinylphenylborique acid) (VPBA))、吡啶和咪唑(4_こ烯基吡啶(4VP)、2_こ烯基吡啶(2VP)、I-こ烯基咪唑(1VI)、4-こ烯基咪唑(4VI))。如前所述，単體混合物還可以包含至少ー個(gè)類(lèi)型的交聯(lián)單體。該交聯(lián)単體有助于防止聚合物基質(zhì)形成時(shí)的其中的任何畸變并從而有助于保持在壓印過(guò)程期間形成的任何結(jié)構(gòu)的形狀。可以在產(chǎn)生適當(dāng)?shù)姆肿訅河【酆衔锘|(zhì)時(shí)使用的常見(jiàn)的交聯(lián)聚合物包括ニ甲基丙烯酸こニ醇酯(ethylene glycol diemethacrylate) (EDMA)、p-ニこ烯基苯(DVB)、N, N '-こ撐雙(丙-2_ 烯酸胺(N, N’ -ethylenebis (prop-2-eneamide)) (ΕΡΕΑ)、四こ氧基硅烷(TE0S)、三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯(TRM)、Ν，Ν'-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)、P, P ' -ニ異氰酸酯基ニ苯基甲燒(diisocyanatodiphenylmethane)) (DIDM)、ニ丙烯酰哌嗪(bisacryloyl piperazine) (BAP)和N, N-亞甲基ニ丙烯酰胺(亞甲基ニ丙烯酰胺)(methylenebisacrylamideノ。 也可以稱(chēng)為致孔劑(porogen)的溶劑可以溶解単體混合物的所有組分。溶劑的作用之一是在制造的聚合物內(nèi)產(chǎn)生小孔。同樣地，溶劑能夠影響合成的聚合物的結(jié)構(gòu)。例如，作為丙烯酸酯(acryalate)網(wǎng)絡(luò)中的溶劑的こ腈導(dǎo)致比氯仿更大孔的結(jié)構(gòu)。適當(dāng)?shù)娜軇┛梢园妆健ⅴ寺燃淄?、氯仿、こ腈、醋酸、甲醇、こ醇、ニ甲基甲酰胺和水。這些可以被單獨(dú)地或相互組合地使用。在本發(fā)明的某些實(shí)施方式中，可以期望在單體混合物中包括附加添加剤。例如，可以包括增塑劑以降低合成的聚合物的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度并因此降低內(nèi)部粘度，從而增加其塊體柔性。在圖4b所示的下ー階段中，單體混合物44被聚合并就地與模板實(shí)體42交聯(lián)。這形成包含多個(gè)腔體52的固態(tài)聚合物基質(zhì)50，腔體具有能夠接收模板實(shí)體42并因此傳感實(shí)體的尺寸和形狀?？梢允褂玫木酆线^(guò)程的實(shí)例是自由基聚合。然而，如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的，可以使用任何適當(dāng)?shù)木酆线^(guò)程。在自由基聚合的情況下，通過(guò)引發(fā)劑化合物的添加來(lái)發(fā)起聚合，其在特定條件下產(chǎn)生自由基。要求的條件可以例如是作為引發(fā)劑的照射的結(jié)果的熱變化或光化學(xué)變化。在引發(fā)劑涉及由于照射而引起的光化學(xué)反應(yīng)的情況下，將其稱(chēng)為光引發(fā)劑。在一些情況下，條件的變化導(dǎo)致引發(fā)劑的單分子鍵斷裂而產(chǎn)生自由基。在其它情況下，引發(fā)劑涉及生物分子反應(yīng)，其中，引發(fā)劑的激發(fā)態(tài)與第二分子(共引發(fā)劑)相互作用而產(chǎn)生自由基。熱自由基引發(fā)劑的實(shí)例是α, α ' _偶氮ニ異丁臆(ΑΙΒΝ),并且光引發(fā)劑的實(shí)例是2，2-ニ甲氧基-2-苯基苯こ酮(DMPA)。自由基引發(fā)劑的范圍是廣泛的，并且可以使用任何適當(dāng)?shù)囊l(fā)劑。引發(fā)劑的選擇可以取決于許多因素，包括引發(fā)劑在特定溶劑中的溶解度或其分解過(guò)程。如果分解過(guò)程對(duì)與進(jìn)行單體44和模板實(shí)體42的混合的溫度類(lèi)似的溫度敏感，則該分解過(guò)程可以具有特定的相關(guān)性。例如，如果引發(fā)劑的分解過(guò)程具有過(guò)低的激活能，則在單體已與模板實(shí)體相互作用之前可能發(fā)生過(guò)早的自由基產(chǎn)生和因此的聚合。過(guò)早聚合是不期望的，因?yàn)槠淇赡芤馕吨惑w52未被適當(dāng)?shù)匦纬桑虼宋从媚０鍖?shí)體42對(duì)聚合物進(jìn)行壓印。這可能導(dǎo)致腔體52不能接收將被傳感的實(shí)體?？梢赃x擇引發(fā)劑使得其具有弱鍵，其在破裂時(shí)產(chǎn)生自由基(應(yīng)將術(shù)語(yǔ)‘弱鍵’解釋為意指比模板實(shí)體42與単體44之間的鍵(或其它相互作用)弱的鍵)。在這已完成的情況下，通過(guò)產(chǎn)生自由基用來(lái)發(fā)起聚合的能量將不會(huì)使単體44與模板實(shí)體42之間的任何鍵(或其它相互作用)破裂。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到的，存在可以使用的許多自由基類(lèi)型。一旦由引發(fā)劑產(chǎn)生自由基，則聚合過(guò)程以常規(guī)方式進(jìn)行。自由基將ー些単體轉(zhuǎn)換成自由基(通過(guò)從其中去除電子)，其能夠與其它單體鍵合而產(chǎn)生更長(zhǎng)鏈的自由基。這些然后可以以串接型方式進(jìn)一歩依次與其它單體或鏈自由基等反應(yīng)。串接型反應(yīng)可以以許多方式終止，其中最常見(jiàn)的是兩個(gè)自由基相互的反應(yīng)。自由基聚合的化學(xué)作用在本領(lǐng)域內(nèi)是眾所周知的，因此在這里不包括進(jìn)ー步的細(xì)節(jié)。
以上描述涉及產(chǎn)生分子壓印聚合物的有機(jī)単體的使用。如前所述，還可以使用無(wú)機(jī)單體來(lái)產(chǎn)生聚合物，例如硅醇鹽單體。此類(lèi)適當(dāng)單體包括正硅酸こ酯(TE0S)、3-氨基丙基三こ氧基硅烷(APTES)、3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷和甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酷(MEM0/TMSM)、甲基三甲氧基硅烷(MTMOS)、苯基三甲氧基硅烷(PTMOS)、四甲氧基硅烷(TMOS)、甲基三こ氧基硅烷(MTE0S)、(3-環(huán)氧丙氧基丙基)三甲氧基硅烷(GPTMS)、こ烯基三こ氧基硅烷(VTE0S)、苯基三甲氧基硅烷(TMPS)、こ基三甲氧基硅烷(ETMOS)和丁基三甲氧基硅烷(BTMOS)。由這些單體產(chǎn)生的聚合物被稱(chēng)為溶膠-凝膠。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過(guò)控制在単體混合物中使用的溶劑(通常為水)的PH和體積，可以影響合成的溶膠-凝膠的多孔性。例如，使用包含處于高PH的高容量的水的単體混合物將產(chǎn)生更多孔的材料?？梢允褂玫膯误w混合物的實(shí)例(和每個(gè)單體的量之間的比)包括TEOS H20 こ醇(1:4: 4) JPTEOS APTES PTMOS (30 I 1.5)。為了產(chǎn)生溶膠-凝膠，使単體混合物經(jīng)歷水解反應(yīng)和縮合反應(yīng)?？梢允褂么呋瘎┳鳛樗夥磻?yīng)的一部分。所使用的催化劑的類(lèi)型可以影響合成的溶膠-凝膠的結(jié)構(gòu)。例如，使用HF代替HCL作為催化劑促進(jìn)更快速的膠凝時(shí)間和/或合成的溶膠-凝膠中的更大的孔。、
在単體混合物中可以使用任何適當(dāng)?shù)娜軇垺＿m當(dāng)?shù)娜軇┌ㄋ?、正庚烷、四氫呋?THF)、甲醇(MeOH)、氫氧化銨(NH4OH),こ氧基こ醇、こ醇、十二烷基苯、こ腈、丙酮和ニ氯甲烷。一旦已經(jīng)產(chǎn)生溶膠-凝膠，則必須將其干燥。干燥過(guò)程可能對(duì)最終溶膠-凝膠的結(jié)構(gòu)有影響，因?yàn)楦稍锟赡芤鹗湛s。如果收縮是顯著的，則其可能影響溶膠-凝膠接收目標(biāo)實(shí)體的能力?？梢韵騿误w混合物添加各種添加劑以控制干燥速率，并從而降低在干燥期間發(fā)生的顯著收縮的可能性。一般地稱(chēng)為干燥控制化學(xué)添加劑(DCCAs)的這些添加劑可以例如是甲酰胺、ニ甲基甲酰胺(DMF)、こ腈或草酸。還可以使用表面活性剤?？梢栽谑芸貕毫Νh(huán)境中進(jìn)行干燥。在圖4c中示出了有機(jī)和非有機(jī)聚合物兩者所共有的最終階段。在此最終階段中，從聚合物基質(zhì)50去除模板實(shí)體42 (例如通過(guò)漂洗)。這可以以各種方式來(lái)完成。例如,可以使用溶劑以便使聚合物50膨脹并因此增加腔體52的尺寸，從而允許沖洗掉模板實(shí)體42。在干燥時(shí)(從聚合物50去除溶剤)，腔體52可以返回至其原始尺寸(即用溶劑引起聚合物膨脹之前的其尺寸)。替換地，可以將模板實(shí)體42毀掉并沖洗棹。用以毀掉蛋白質(zhì)型目標(biāo)實(shí)體42的適當(dāng)試劑可以是蛋白酶?？梢允褂貌粫?huì)損壞聚合物的結(jié)構(gòu)的強(qiáng)酸來(lái)毀掉目標(biāo)實(shí)體42。已被發(fā)現(xiàn)其作用的此類(lèi)型的ー個(gè)試劑是醋酸和甲醇的I : 9混合物，其中允許聚合物基質(zhì)50浸潰達(dá)兩個(gè)小吋?？梢杂脕?lái)從聚合物基質(zhì)50去除模板實(shí)體42的其它方法包括用與聚合物相比更高度地競(jìng)爭(zhēng)模板實(shí)體42的官能團(tuán)中的至少ー個(gè)的流體來(lái)沖洗聚合物50 ;使聚合物50暴露于引起模板實(shí)體42和聚合物基質(zhì)50之間的鍵斷裂的試劑；以及使聚合物50暴露于引起模板實(shí)體42和聚合物基質(zhì)50之間的鍵被破壞的試劑。硅基的聚合物與類(lèi)似的碳基的聚合物相比趨向于更硬、不那么多孔、不那么有彈性且不那么有柔性，因此，與從碳基的聚合物相比，從硅基的聚合物沖洗掉模板實(shí)體42可能更加困難。然而，可以選擇用來(lái)形成硅基的聚合物的鏈的長(zhǎng)度，使得在聚合物中存在充分的柔性以允許從其沖洗掉模板實(shí)體42。在已經(jīng)從聚合物基質(zhì)50去除模板實(shí)體之后，可以將聚合物基質(zhì)干燥(例如在真空下室溫下)。在模板實(shí)體42已被去除之后，留下具有多個(gè)腔體52的聚合物50，所述多個(gè)腔體52包含與將被傳感的實(shí)體的官能團(tuán)的形狀和設(shè)置互補(bǔ)的官能團(tuán)46的設(shè)置。每個(gè)腔體52及其相應(yīng)的官能團(tuán)46在下文中被稱(chēng)為接收位點(diǎn)54?？梢栽诘偷阶阋允沟靡坏┰诠倌軈g體44與模板實(shí)體42之間發(fā)生了相互作用則幾乎沒(méi)有熱能可用于逆向相互作用的溫度下進(jìn)行分子壓印過(guò)程，特別是単體混合和聚合。這些相互作用的逆轉(zhuǎn)是不期望的，因?yàn)槠鋵?dǎo)致不那么能夠選擇性地接收目標(biāo)實(shí)體56的接收位點(diǎn)54的形成。因此，例如可以使用UV光而不是使用溫度的増加來(lái)發(fā)起聚合。以下是用于制造分子壓印聚合物傳感層的技術(shù)的特定的實(shí)施例在每個(gè)以下實(shí)施例中，在形成聚合物傳感層之前清潔金屬層38。清潔是多級(jí)過(guò)程，其中，在包含不同溶液的浴器中順序地洗滌基底36和金屬層38，每個(gè)時(shí)段30分鐘。所使用的溶液的順序是水溶液中2%體積的中性清潔劑(例如SODOS丨しR;)、去離子水、異丙醇、 去離子水、こ醇、超聲波浴中的去離子水、氫氧化鈉、去離子水、IM鹽酸和最后的去離子水。然后在氮?dú)鈿夥罩袑?duì)基底36進(jìn)行干燥。實(shí)施例I根據(jù)上述方法清潔沖模基底(stamp substrate)(未示出)。然后在包含模板實(shí)體42的溶液中培育沖?；?。在本實(shí)施例中，模板實(shí)體是RNase A。RNase溶液是包含O. 05mg/ml的RNase A的磷酸鹽緩沖鹽水溶液。沖?；自谑覝叵卤┞队赗Nase溶液達(dá)兩個(gè)小吋。然后在氮?dú)鈿夥罩袑?duì)有涂層的沖?；走M(jìn)行干燥。在一些實(shí)施方式中，隨后可以用保護(hù)性糖層來(lái)進(jìn)一步涂覆RNase有涂層的沖模基底。用于此目的的適當(dāng)?shù)奶鞘钎颂?，例如可以在RNase上旋涂IM ニ糖溶液。保護(hù)性糖層有助于保持RNase的形狀，由此改善任何合成的分子壓印聚合物的結(jié)構(gòu)。產(chǎn)生單體混合物，其中，將交聯(lián)單體EGDMA、TEGDMA PEG400DMA和/或PEG600DMA與官能單體4VP、MMA和/或SM混合。然后向混合物中添加光引發(fā)劑DMPA，使得其按重量計(jì)為單體混合物的約O. 5%。將四微升的単體溶液吸到被適當(dāng)清潔的表面上，例如根據(jù)上述方法被清潔的載玻片的表面。然后使有涂層的沖?；着c単體混合物接觸，首先以小的角度(小于15° )以防止夾帶氣泡，并且然后使其變平。以這種方式，単體混合物與被涂覆到?jīng)_?；咨系哪繕?biāo)實(shí)體合井。然后將載玻片、単體混合物和沖?；追胖迷谛繖C(jī)器中并使其以達(dá)到約8500rpm的速度旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生單體混合物的非常平的表面。在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行単體混合物到載玻片上的旋涂。然后以75mW/cm2的強(qiáng)度將涂覆在載玻片上的沖?；缀蛦误w混合物暴露在紫外線光源(UVA濾波)下達(dá)10分鐘的時(shí)段，以便促使単體混合物聚合，從而產(chǎn)生分子壓印聚合物層。在聚合之后，去除載玻片。然后使用適當(dāng)?shù)恼凵渎势ヅ湔澈蟿⒎肿訅河【酆衔飳痈街诨?6上的金屬層38。然后去除沖?；?，使壓印表面暴露。替換地，在一些實(shí)施方式中，可以用金屬膜來(lái)涂覆分子壓印聚合物層，然后使用適當(dāng)折射率匹配的粘合劑將基底36附著于此金屬膜。在這已完成的情況下，金屬膜組成金屬層38。作為另ー替換，可以將單體混合物直接吸到基底36上的金屬層38上。在這種情況下，使沖?；着c金屬層38上的単體混合物接觸并將單體混合物旋涂到基底的金屬層上，并且隨后如前所述地使其聚合。一旦聚合完成，則可以去除沖?；?，在基底36上的金屬層38上將分子壓印聚合物層留在原位。為了去除RNase模板實(shí)體，使用O. 8%氫氧化鈉和2%十二烷基硫酸鈉的洗脫水溶液。在80°C下用50ml的洗脫液洗滌聚合物達(dá)30分鐘。一旦這已完成，則通過(guò)在去離子水中洗滌三次達(dá)5分鐘來(lái)使聚合物穩(wěn)定。這完成分子壓印聚合物層的制造。如果不是要馬上使用傳感層，則可以將其儲(chǔ)存在磷酸鹽緩沖鹽水溶液中。實(shí)施例2在替換實(shí)施例中，將RNase A分子壓印聚合物層形成為無(wú)機(jī)聚合物。在兩步過(guò)程中制造聚硅氧烷層(可以將其稱(chēng)為支架)并旋涂到基底36上的金屬層38上。首先，將預(yù)水解溶液混合，其包括I. 32ml的TEOS (交聯(lián)單體)、O. 235ml的去離子水(溶剤)、O. 33ml的O. IMHCl(催化劑)和0.4ml的無(wú)水こ醇(共溶剤)。允許預(yù)水解溶液停留在室溫下達(dá)24小吋。隨后，將預(yù)水解混合物與包含O. 33ml的C-氨基丙基三こ氧基硅烷(APS)(官能單體)和Iml的O. IM和十二燒基硫酸鈉(sodium docecylsulfate) (SDS)(用來(lái)產(chǎn)生大孔性的發(fā)泡劑)的溶液混合。對(duì)合成的混合物進(jìn)行渦流混合，從而將硅烷組分兩者混合并對(duì)溶膠進(jìn)行發(fā)泡。在已將混合物與目標(biāo)實(shí)體合并并涂覆到載玻片或金屬層上(例如上文在實(shí)施例I中所述)之后，發(fā)生凝膠化。然后在室溫下對(duì)聚合物進(jìn)行老化達(dá)24小時(shí)并隨后在40°C下干燥達(dá)48小吋。然后用磷酸鹽緩沖鹽水(PBS)、pH 7. 4徹底清洗所有樣本以去除碎屑。如果傳感層不是要立即使用，則可以將其儲(chǔ)存在暗處(這已被發(fā)現(xiàn)增加傳感層的操作壽命)。實(shí)施例3在另ー替換實(shí)施例中，分子壓印聚合物層是被用咖啡因進(jìn)行分子壓印的有機(jī)聚合物。產(chǎn)生單體混合物，其包含O. 03g的咖啡因(模板實(shí)體)、O. 54g的甲基丙烯酸(MMA)(官能單體)、5. 64g的こ烯こニ醇ニ甲基丙烯酸酯(EDMA)(交聯(lián)單體)、O. Ig的DMPA (光引發(fā)劑)和Iml至20ml的氯仿(致孔劑)。然后允許單體混合物停留達(dá)至少48小吋。在此之后，在超聲波浴中對(duì)混合物進(jìn)行脫氣達(dá)30分鐘并隨后用氮?dú)鉀_洗達(dá)5分鐘。由于單體混合物與模板混合物直接混合，所以不需要使用沖?；?雖然這種方法也將起作用)。替代地，然后以3600rpm將兩百微升的単體混合物旋涂到基底36上的金屬層38上達(dá)I分鐘的時(shí)段。在正在對(duì)單體混合物進(jìn)行旋涂的同時(shí)，使用360nm下的UV照明來(lái)發(fā)起聚合過(guò)程。一旦已經(jīng)形成聚合物層，則使用體積比4 I的甲醇和醋酸混合物來(lái)去除模板實(shí)體，用該混合物沖洗聚合物達(dá)24小吋。要從聚合物層沖洗掉模板實(shí)體所花費(fèi)的時(shí)間取決于聚合物層的厚度。該層越薄，沖洗掉模板實(shí)體所花費(fèi)的時(shí)間越少。例如，在本實(shí)施例中產(chǎn)生的聚合物層要求沖洗達(dá)10分鐘的時(shí)段。去除模板實(shí)體的另一方法是通過(guò)用単獨(dú)溶劑順序沖洗，単獨(dú)溶劑例如醋酸、こ腈、磷酸、甲醇、こ醇和四氫呋喃。聚合物的表面可以按要求具有用緩沖溶液或蒸餾水進(jìn)行的最后沖洗。在本實(shí)施例中，分子壓印聚合物與咖啡因內(nèi)的的官能鍵合主要源自于MMA的羧基的氫原子與咖啡因的羰基的氧原子形成氫鍵。然而，其它靜電力和疏水相互作用也可以有所貢獻(xiàn)。實(shí)施例4在另ー實(shí)施例中，分子壓印聚合物層是無(wú)機(jī)咖啡因壓印聚合物。這是通過(guò)產(chǎn)生單體混合物而制成的，該單體混合物包括7. 2g水(溶剤)，具有添加的鹽酸以確立pHl. 2、20. 8g TEOS (單體)和14. 4gこ醇(共溶剤)。將單體混合物與咖啡因混合并攪拌達(dá)24小時(shí)以允許反應(yīng)發(fā)生。由于單體混合物與模板混合物直接混合，所以不需要使用沖?；?雖然這種方法也將起作用)。替代地，將包括咖啡因模板實(shí)體的単體混合物的一部分旋涂到基底36上的金屬層38上。然后在60°C下在密封烘箱中將聚合物干燥達(dá)24小吋。在干燥之后，允許聚合物在室溫下停留至少12小時(shí)，使得其穩(wěn)定。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)如果單體混合物是酸性的(pH 1-6)，則合成的聚合物的性能被增強(qiáng)。咖啡因到合成的聚合物的接受度已被發(fā)現(xiàn)隨著増加的溶劑極性而降低。這被認(rèn)為是因?yàn)闃O性添加劑能夠與模板實(shí)體和単體混合物內(nèi)的官能単體之間相互作用的氫鍵相干擾。一旦已經(jīng)形成聚合物，則通過(guò)在こ醇中洗滌聚合物來(lái)對(duì)模板實(shí)體進(jìn)行洗脫。替換地，可以在600°C下通過(guò)焙燒來(lái)去除模板實(shí)體?？梢酝ㄟ^(guò)用乳酸對(duì)其進(jìn)行洗滌來(lái)改善壓印聚
合物的孔隙度(可以認(rèn)為這可以使ニ氧化硅網(wǎng)絡(luò)松開(kāi))。實(shí)施例5在另ー實(shí)施例中，分子壓印聚合物層是對(duì)氧磷壓印溶膠-凝膠。如下產(chǎn)生單體混合物:將相當(dāng)于13. 5_1的3ml的TEOS (單體)、相當(dāng)于I. 2_1的200 μ L的PTMOS (單體)與3ml的こ醇(共溶剤)混合直至清澈。然后添加100μ I的高濃度鹽酸以便使混合物呈酸性。然后添加相當(dāng)于O. 9mmol的200 μ I的APTES (單體)以及Iml的水(共溶剤)。在超聲波浴中對(duì)混合物進(jìn)行脫氣達(dá)30分鐘并隨后用氮?dú)鉀_洗達(dá)5分鐘。然后，將2ml的単體混合物與相當(dāng)于O. 02mmol的200 μ I的對(duì)氧磷的こ醇溶液混合。允許混合物停留達(dá)24小時(shí)。接下來(lái)，在4000rpm下將30 μ I的反應(yīng)單體混合物旋涂到基底36上的金屬層38上達(dá)20秒。這已被發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生厚度534+/-6nm的聚合物膜。然后允許有涂層的基底在室溫下干燥達(dá)24小吋。使用具有こ醇的索式抽提器從壓印溶膠-凝膠提取對(duì)氧磷。實(shí)施例6可以按如下使用単體混合物來(lái)產(chǎn)生類(lèi)似的對(duì)氧磷壓印溶膠-凝膠將相當(dāng)干20. 3mmol的三毫升TMOS(單體)與3ml的2-こ氧基こ醇(共溶剤)、相當(dāng)于2. 2mmol的370 μ I的PTMOS (單體)和相當(dāng)于O. 6mmol的420 μ I的TM0S-CTAC (單體)混合直至清澈。然后添加一毫升的O. IM鹽酸和Iml的水(共溶剤)。然后在室溫下攪拌該混合物達(dá)2小時(shí)并在超聲波浴中進(jìn)行脫氣達(dá)30分鐘，并且隨后用氮?dú)膺M(jìn)行沖洗達(dá)5分鐘。隨后，將2ml的単體混合物與200 μ I的O. IM的對(duì)氧磷的こ醇溶液混合。隨后，在4000rpm下在基底36上的金屬層38上旋涂30 μ I的反應(yīng)單體混合物達(dá)20秒。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這產(chǎn)生具有534+/-6nm的厚度的聚合物膜。然后在室溫下對(duì)有涂層的基底進(jìn)行干燥達(dá)24小吋。再次地，用具有こ醇的索式抽提來(lái)從壓印溶膠-凝膠提取對(duì)氧磷。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)TEOS基的溶膠-凝膠在酸性水解條件下比TMOS基的溶膠-凝膠更緩慢地水解。實(shí)施例7用于產(chǎn)生對(duì)氧磷壓印溶膠-凝膠的另ー替換方法是使用由以下物質(zhì)組成的単體混合物I O. I O. I 4 O. 003 4 的摩爾比的 TMOS PhTMOS APTES こ醇鹽酸水。一旦已經(jīng)添加了對(duì)氧磷的こ醇溶液，則能夠在4000rpm下將反應(yīng)単體混合物旋涂到基底36上的金屬層38上達(dá)20-60秒。一旦溶膠-凝膠已被干燥，則能夠在こ醇中提取模板對(duì)氧磷分子。替換地，可以通過(guò)在包含I. OM的氫氧化鉀的50%體積的甲醇水溶液中洗滌達(dá)24小時(shí)來(lái)將其提取。實(shí)施例8在另ー實(shí)施例中，分子壓印聚合物層是膽固醇?jí)河∮袡C(jī)聚合物。該方法與上文針對(duì)其它有機(jī)聚合物所解釋的基本上相同。單體聚合物包括0. 387g的膽固醇(模板)、
O.682ml的甲基丙烯酸MMA (官能單體)、4. 72ml的EGDMA (交聯(lián)單體)、O. 05g AIBN (熱引發(fā)劑)或DMPA (UV引發(fā)劑)；以及7.5ml的氯仿(溶剤)。可以使用替換溶劑，例如こ醇、甲苯、庚烷或己烷?？梢岳缭谶_(dá)到60°C下進(jìn)行膽固醇溶劑混合(這可以有助于保證膽固醇被完全溶解)?？梢允褂玫奶鎿Q官能単體包括4-こ烯基吡淀、苯こ烯和環(huán)式糊精?？梢允褂玫奶鎿Q交聯(lián)單體包括こ基こ烯基苯、ニこ烯基苯、三羥甲基丙烷和三甲基丙烯酸酯。在聚合之后，去除氯仿并在室溫下在真空烘箱中對(duì)聚合物進(jìn)行干燥達(dá)12小吋。實(shí)施例9可以用以下単體混合物來(lái)制造膽固醇?jí)河∪苣z-凝膠在140°C下混合41. 7g的TEOS (相當(dāng)于200mmol)和40. 8g的こ酸酐(相當(dāng)于400mmol)達(dá)12小時(shí)，然后添加7. 73g的膽固醇(相當(dāng)于20mmol)。將這些組分混合達(dá)2天的時(shí)間段并然后允許其在達(dá)60°C下固
定干燥。 實(shí)施例10替換地，可以用以下単體混合物來(lái)制造膽固醇?jí)河∪苣z-凝膠10. 4gTE0S (相當(dāng)于50mmol)、50ml的THF、9ml的蒸餾水和作為催化劑的O. Olml的氨水溶液(25%按重量計(jì))，然后是相當(dāng)于5mmol的I. 93g的膽固醇。可以通過(guò)用I : I體積比的醋酸和四氫呋喃的混合物或4 I體積比的氯仿和醋酸的混合物洗滌聚合物來(lái)從無(wú)機(jī)膽固醇?jí)河【酆衔锶コ０鍖?shí)體?？梢杂糜谀０嫒コ奶鎿Q物質(zhì)包括こ腈、四氫呋喃、甲醇、醋酸、丙酮和こ醇。再次參考圖2，可以使用硅烷來(lái)有助于壓印聚合物層34到金屬層38的粘附。例如，可以使用3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基甲基丙烯酸酯(MPS)來(lái)有助于金屬到聚合物(或玻璃到聚合物)的粘附。例如こ烯基三甲氧基硅烷(VTS)的其它硅烷對(duì)合成的聚合物的抗腐蝕性質(zhì)有幫助。應(yīng)用硅烷的方法包括向適當(dāng)?shù)娜軇┨砑有〔糠?，例如向按體積計(jì)95%乙醇和5%水混合物的混合物。然后可以將此混合物添加到單體混合物。另ー方法涉及額外生產(chǎn)步驟，其中，在金屬層30的頂部上単獨(dú)地提供硅烷層。然后在硅烷層的頂部上涂覆分子壓印聚合物。一旦已經(jīng)形成了分子壓印聚合物，則可以將其用作傳感層。圖5示出分子壓印聚合物50的腔體52用以接收并保留目標(biāo)實(shí)體的方式。組合的腔體52和相應(yīng)官能團(tuán)46在本文中被稱(chēng)為接收位點(diǎn)54。目標(biāo)實(shí)體56 (即將被傳感的實(shí)體)配備在接收位點(diǎn)54內(nèi)，并且另外具有官能團(tuán)57，官能團(tuán)57在官能團(tuán)57的類(lèi)型和相對(duì)定位方面與接收位點(diǎn)54的那些互ネト。不具有要求的形狀和接收位點(diǎn)的組合的其它實(shí)體將不被接收和保留在腔體中(實(shí)體將通過(guò)腔體或?qū)⒉贿M(jìn)入腔體)。每個(gè)接收位點(diǎn)54都是相同的情況是不必要的。在用以形成接收位點(diǎn)54的過(guò)程中(參見(jiàn)圖4a)，単體44將其本身隨機(jī)地設(shè)置在模板實(shí)體42周?chē)?，僅僅由単體44的官能團(tuán)與模板實(shí)體42上的相應(yīng)官能團(tuán)之間的相互作用來(lái)支配。同樣地,腔體52的精確尺寸和形狀以及形成特定接收位點(diǎn)54的相應(yīng)官能團(tuán)46的位置、取向和類(lèi)型可以改變。為了接收位點(diǎn)54起作用從而以可保留的方式接收目標(biāo)實(shí)體，期望的是腔體52大到足以接收目標(biāo)實(shí)體56，并且接收位點(diǎn)54的官能團(tuán)46的相對(duì)位置和類(lèi)型與目標(biāo)實(shí)體56的官能團(tuán)57相對(duì)應(yīng)。因此，可以在形成分子壓印聚合物(和因此的接收位點(diǎn)54)時(shí)使用不同于目標(biāo)實(shí)體56的模板實(shí)體42。然而，當(dāng)這已完成吋，從而產(chǎn)生的接收位點(diǎn)應(yīng)具有能夠接收目標(biāo)實(shí)體56的尺寸并具有能夠與目標(biāo)實(shí)體上的相應(yīng)官能團(tuán)57相互作用的相對(duì)定位和類(lèi)型的官能團(tuán)46。在ー個(gè)特定實(shí)施方式中，目標(biāo)實(shí)體56是核糖核酸酶(也稱(chēng)為RNase)。然而，目標(biāo)實(shí)體可以是任何所選生物分子。例如，目標(biāo)實(shí)體可以是任何酶，包括堿性磷酸酶(ALP)。RNase和ALP兩者是具有每摩爾超過(guò)500g的分子量的相對(duì)大的生物分子。然而，目標(biāo)實(shí)體56可以是較小的分子(例如具有每摩爾小于500g的分子量)。類(lèi)似分子的實(shí)例包括有機(jī)磷酸酯(例如對(duì)氧磷)和生物堿(例如咖啡因)。根據(jù)分子壓印聚合物層的孔隙度，相對(duì)小的目標(biāo)實(shí)體56可以足夠小，使得其能夠擴(kuò)散到基質(zhì)50內(nèi)的接收位點(diǎn)54中。而相對(duì)大的目標(biāo)實(shí)體可以過(guò)大而使得其不能擴(kuò)散到基質(zhì)50中。在目標(biāo)實(shí)體56過(guò)大而使得其不能擴(kuò)散到基質(zhì)50中的情況下，目標(biāo)實(shí)體56仍可以被基質(zhì)50的表面上的分子壓印接收位點(diǎn)接收。分子壓印聚合物從而可以允許傳感目標(biāo)實(shí)體的存在。
分子壓印聚合物可以形成光學(xué)傳感器的一部分，例如上文相對(duì)于圖I進(jìn)ー步描述的。光學(xué)傳感器可以例如形成用來(lái)產(chǎn)生非常純的水(例如將在化學(xué)測(cè)定應(yīng)用中使用)的浄化系統(tǒng)的一部分?？梢岳鐚⒐鈱W(xué)傳感器配置為監(jiān)測(cè)水中的污染物的存在，例如生物制劑(包括細(xì)菌)或其產(chǎn)生的內(nèi)毒素。為了檢測(cè)多種細(xì)菌，即使這些細(xì)菌不再是存活的，可以檢測(cè)作為細(xì)菌的組成部分的實(shí)體。ー個(gè)此類(lèi)實(shí)施例是RNase。RNase是被細(xì)菌用來(lái)催化核糖核酸或RNA到更小組分的水解。細(xì)菌在活著的同時(shí)隱藏RNase并在其分解時(shí)釋放RNase。同樣地，RNase的存在是關(guān)于活的細(xì)菌或已經(jīng)死亡的細(xì)菌的存在的指示符?？梢詫⒐鈱W(xué)傳感器配置為檢測(cè)水中的RNase的存在。再次參考圖2，光學(xué)傳感器的波導(dǎo)12包括在金屬層38上提供的分子壓印聚合物層34。波導(dǎo)12被定位干與流體31流過(guò)(箭頭A所表示的流)的導(dǎo)管32進(jìn)行流體連通。金屬層38是在基底36上提供的。在導(dǎo)管32內(nèi)的水31中存在RNase 56(該導(dǎo)管可以形成水凈化系統(tǒng)的一部分)。隨著水31和懸浮RNase 56流過(guò)導(dǎo)管,水和RNase可以流入分子壓印聚合物層34 (經(jīng)由層的多孔表面40)。分子壓印聚合物層34包括多個(gè)接收位點(diǎn)54。隨著RNase56穿過(guò)分子壓印聚合物層34，RNase通過(guò)接收位點(diǎn)54。RNase的取向可以改變，并且RNase可以通過(guò)具有不同取向的許多接收位點(diǎn)54。RNase 56可以遇到具有被設(shè)置為使得與官能團(tuán)相互作用并被保留在接收位點(diǎn)54內(nèi)的取向和官能團(tuán)46的接收位點(diǎn)。圖3對(duì)應(yīng)于圖2，但示出已經(jīng)接收并保留RNase 56的多個(gè)接收位點(diǎn)54。雖然圖3中未示出，但RNase 56還可以被接收位點(diǎn)54接收和保留，其在分子壓印聚合物層34的表面處。如果分子壓印聚合物層沒(méi)有多孔到足以允許RNase經(jīng)由表面40進(jìn)入層，則RNaes可能僅被在層34的表面40上的接收位點(diǎn)54接收和保留。通過(guò)分子壓印聚合物層34進(jìn)行的目標(biāo)實(shí)體56的保留修改分子壓印聚合物層的光學(xué)性質(zhì)。這影響傳播光用以穿過(guò)波導(dǎo)12的方式，從而允許修改將被測(cè)量的光的參數(shù)。例如，分子壓印聚合物層34的折射率可以改變，其又可以修改檢測(cè)器30所看到的光的強(qiáng)度(參見(jiàn)圖I)。在一個(gè)實(shí)施例中，RNase56被接收位點(diǎn)54保留。這促使先前存在于接收位點(diǎn)54內(nèi)的水移位。由于RNase 56的折射率不同于水的折射率，所以分子壓印聚合物層34的折射率改變。這允許光學(xué)地檢測(cè)分子壓印聚合物層34中的RNase 56的存在。
為了光學(xué)地檢測(cè)傳感層34中的目標(biāo)實(shí)體(例如RNase)的存在，使用圖I所示的設(shè)備將光指引到波導(dǎo)12中。光在波導(dǎo)12處被以特定入射角B (參見(jiàn)圖2)指引，使得其通過(guò)金屬層38耦合到分子壓印聚合物層34中以激發(fā)波導(dǎo)12內(nèi)的導(dǎo)模(即被耦合到導(dǎo)模中)。可以將提供到導(dǎo)模中的耦合的入射角B稱(chēng)為諧振入射角。導(dǎo)模在分子壓印聚合物層34內(nèi)位于中心。導(dǎo)模是漏摸，因此ー些光耦合到導(dǎo)模之夕卜。光被以出射角C耦合到導(dǎo)模之外，出射角C等于諧振入射角B。如果分子壓印聚合物層34的折射率改變，光耦合到導(dǎo)模的諧振入射角B的值(和因此的出射角C的值)將改變。未被耦合到漏導(dǎo)模的入射在波導(dǎo)12上的光可能被從波導(dǎo)12反射。當(dāng)光被以諧振入射角B耦合到導(dǎo)模中井隨后再次被耦合到外面時(shí)，其經(jīng)歷相移。金屬層38用于將此相移轉(zhuǎn)換成強(qiáng)度變化。這允許使用強(qiáng)度檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)到波導(dǎo)中的諧振耦合的存在。
金屬層38具有相當(dāng)大地高于聚合物層34的折射率的折射率。與聚合物層34相比，金屬層38的此更高折射率引起在聚合物層34內(nèi)行進(jìn)的光被從聚合物層與金屬層之間的邊界反射回來(lái)。因此，在聚合物層34內(nèi)行進(jìn)的光在其被耦合到聚合物層之外之前將在聚合物層內(nèi)進(jìn)一歩行迸。増加金屬層38與聚合物層34之間的折射率差的尺寸將增加聚合物層與金屬層之間的邊界的反射率。增加聚合物層與金屬層之間的邊界的反射率將引起光在其被耦合到聚合物層34之外之前在聚合物層內(nèi)進(jìn)ー步行進(jìn)。這又增加光與聚合物層34之間的相互作用，從而增加波導(dǎo)對(duì)聚合物層的光學(xué)性質(zhì)變化的敏感度。金屬層38的大部分折射率由折射率的復(fù)數(shù)分量引起。因此，金屬層38吸收被指引到波導(dǎo)12的光(比聚合物層34具有更大的吸收性)。金屬層提供有足夠小的厚度，使得被指引到波導(dǎo)12處的光的相當(dāng)一部分能夠通過(guò)金屬層38并耦合到聚合物層34中(并且還通過(guò)金屬層返回)。雖然圖2和3所示的波導(dǎo)具有金屬層，但可以使用任何適當(dāng)?shù)牟牧蠈觼?lái)代替金屬層38。所使用的材料應(yīng)具有比聚合物層34更高的折射率。材料層應(yīng)足夠薄，使得其允許被指引到波導(dǎo)12處的光的相當(dāng)一部分進(jìn)入聚合物層34。適當(dāng)材料的實(shí)例包括染料和碳納米管(除金屬之外)。金屬趨向于在大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有高折射率，而染料趨向于針對(duì)相當(dāng)窄的波長(zhǎng)范圍具有高折射率。因此，可以在與比具有染料層的波導(dǎo)更寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光相結(jié)合中使用具有金屬層的波導(dǎo)。在替換設(shè)置中，在波導(dǎo)中不存在金屬層38。在如此的情況下，可以例如通過(guò)使位于波導(dǎo)與檢測(cè)器30之間的第二起偏振器28來(lái)檢測(cè)相移。第二起偏振器28可以相對(duì)于第一起偏振器22 (位于光源16與波導(dǎo)12之間)相交叉，使得其僅透射已經(jīng)歷相位變化的光。這允許使用強(qiáng)度檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)到波導(dǎo)中的諧振耦合的存在?？梢蕴鎿Q地使用其它手段來(lái)檢測(cè)相移，例如干涉儀，例如邁克爾森干涉儀或馬赫-曾德耳干涉儀。如果使用以諧振入射角B入射的光在波導(dǎo)12中激發(fā)漏導(dǎo)模，則這將被視為在該角C處檢測(cè)的光強(qiáng)度的峰值(或者在一些情況下為下沉)。如果在波導(dǎo)12中存在金屬層38，則金屬層的折射率(除其它的之外)可以確定是看到峰值還是看到下沉。圖6至8是示出取決于金屬層38的折射率的波導(dǎo)12的反射率的不同方案的圖表。使用模擬生成的圖表示出作為入射角B (在這里用O來(lái)表示)的函數(shù)的波導(dǎo)12的反射率(R)。其它變量保持恒定，包括金屬和傳感層兩者的厚度以及傳感層的折射率。圖6示出具有小于約O. 7的折射率的實(shí)數(shù)分量的金屬層38 (例如金)的入射角與反射率之間的關(guān)系。圖7示出具有在約O. 7與約I. 4之間的折射率的實(shí)數(shù)分量的金屬層38 (例如鋁)的入射角與反射率之間的關(guān)系。圖8示出具有大于約I. 5的折射率的實(shí)數(shù)分量的金屬層38(例如鈦)的入射角與反射率之間的關(guān)系。圖6至8所示的圖表的峰值和凹點(diǎn)指示波導(dǎo)12的諧振入射角B，因?yàn)樵诜逯祷虬键c(diǎn)與諧振入射角B之間存在固定關(guān)系。如從圖表可以看到的，在一些情況下，可能更容易檢測(cè)反射強(qiáng)度的峰值，并且在其它實(shí)例中，可能更容易檢測(cè)反射強(qiáng)度的下沉。在本說(shuō)明中，描述了反射強(qiáng)度的峰值的檢測(cè)。然而，可以等效地進(jìn)行反射強(qiáng)度的下沉的檢測(cè)。光耦合到漏導(dǎo)模中的諧振入射角B取決于傳感層34的光學(xué)性質(zhì)，并特別地取決于傳感層的折射率。參考圖3，目標(biāo)實(shí)體56 (例如RNase)具有比水31高的折射率。因此，當(dāng) RNase使接收位點(diǎn)54中的水移位吋，傳感層34的折射率増加。折射率的此增加改變?cè)诓▽?dǎo)12中可以激發(fā)漏導(dǎo)模的諧振入射角B(并相應(yīng)地改變從導(dǎo)模耦合光的角C)。這意味著可以用在波導(dǎo)中激發(fā)漏導(dǎo)模所需的諧振入射角B的變化來(lái)指示水31 (或其它流體)中的RNase(或其它目標(biāo)實(shí)體)的存在?？梢酝ㄟ^(guò)在一定角度范圍內(nèi)在波導(dǎo)12處指引光并測(cè)量在一定角度范圍內(nèi)從波導(dǎo)輸出的光來(lái)看到諧振入射角B的變化。替換地，其可以通過(guò)以諧振入射角將光指引到波導(dǎo)12中并監(jiān)測(cè)從波導(dǎo)輸出的光(從波導(dǎo)耦合出來(lái)的光或從波導(dǎo)的末端透射的光)而看到。在使用這種方法的情況下，傳感層34的折射率的變化將減少被耦合到導(dǎo)模中的光的量，因?yàn)楣庥靡灾赶虿▽?dǎo)的角度將不再是諧振角。這將被視為從波導(dǎo)反射的光的強(qiáng)度的變化(或從波導(dǎo)的末端透射的光的強(qiáng)度的變化)。圖9是示出從體現(xiàn)本發(fā)明的波導(dǎo)看到反射強(qiáng)度的峰值的角度的移動(dòng)的圖表。根據(jù)檢測(cè)器的像素來(lái)測(cè)量反射強(qiáng)度的峰值的移動(dòng)。針對(duì)已經(jīng)以不同的濃度溶解在こ醇中的咖啡因內(nèi)的樣本來(lái)測(cè)量峰值的移動(dòng)。圖9中的無(wú)陰影圓盤(pán)是用具有被用咖啡因分子壓印的聚合物層的波導(dǎo)(依照以上實(shí)施例3所產(chǎn)生的)獲得的結(jié)果。圖9中的陰影圓盤(pán)是用具有未被分子壓印的聚合物層(在本文中稱(chēng)為非壓印聚合物(NIP))的波導(dǎo)獲得的結(jié)果。具有NIP的波導(dǎo)是依照以上實(shí)施例3所產(chǎn)生的，但是在聚合之前在単體混合物中不包括咖啡因。該結(jié)果是通過(guò)使用圖I所示的設(shè)備將光指引到每個(gè)波導(dǎo)中獲得的。光以一定范圍內(nèi)的入射角指向波導(dǎo)。所使用的檢測(cè)器30是C⑶陣列。通過(guò)測(cè)量C⑶陣列內(nèi)的像素的位置移位來(lái)測(cè)量波導(dǎo)模的諧振入射角的變化，所述CCD陣列測(cè)量最大入射光強(qiáng)度(此像素在下文中稱(chēng)為峰值像素)。相對(duì)于當(dāng)在こ醇中不存在咖啡因時(shí)看到的峰值像素的位置來(lái)測(cè)量峰值像素的位置的移位。使用具有NIP聚合物層的波導(dǎo)來(lái)測(cè)量峰值像素的位置。在測(cè)量峰值像素的位置之前，使波導(dǎo)的NIP聚合物層34暴露于不同濃度的溶解在こ醇中的一組咖啡因溶液中達(dá)10分鐘的時(shí)段。所使用的咖啡因的濃度是10_6M、10_5M、10_4M、10_3M和10_2M。由于在NIP聚合物層內(nèi)不存在用于咖啡因的接收位點(diǎn)54，所以不應(yīng)看到聚合物層的折射率的變化(且因此沒(méi)有諧振入射角的變化)。將針對(duì)具有被暴露于咖啡因溶液的每個(gè)濃度的NIP聚合物層的波導(dǎo)測(cè)量的峰值像素的位置與在こ醇中不存在咖啡因時(shí)測(cè)量的峰值像素位置相比較。
使用依照本發(fā)明的實(shí)施方式的具有咖啡因敏感分子壓印聚合物層34的波導(dǎo)來(lái)測(cè)量峰值像素的位置。再次地，在測(cè)量峰值像素的位置之前，使聚合物層34暴露于具有不同的濃度的溶解在こ醇中的一組咖啡因溶液中的ー個(gè)達(dá)10分鐘。再次地，所使用的咖啡因的濃度是10_6M、10_5M、10_4M、10_3M和10_2M。由于使用咖啡因作為模板實(shí)體來(lái)制作分子壓印聚合物層，所以咖啡因是用于聚合物層34的目標(biāo)實(shí)體。在這種情況下，可以相信的是10分鐘是足以用于大量的咖啡因分子與接收位點(diǎn)54結(jié)合的時(shí)間。在其它情況下，可以使用其它暴露時(shí)間(例如達(dá)到24小吋)。被接收位點(diǎn)54接收的咖啡因分子改變聚合物層34的折射率并因此改變光被耦合到波導(dǎo)12的諧振入射角B。如從圖9的無(wú)陰影圓盤(pán)可以看到的，峰值像素的測(cè)量位置隨著咖啡因溶液的濃度的増加而增加。圖10示出作為咖啡因溶液的濃度的函數(shù)的用于具有咖啡因敏感分子壓印聚合物層的波導(dǎo)的像素峰值的位置與具有NIP聚合物層的波導(dǎo)的像素峰值的位置之間的差。將點(diǎn)接合的線是使用3參數(shù)S形擬合生成的最佳擬合線。圖10的圖表顯示具有分子壓印聚合物層的波導(dǎo)在其被以約5X 10_4M的濃度暴露于咖啡因目標(biāo)實(shí)體且達(dá)到10分鐘的時(shí)段以上的情況下顯示出峰值像素的可測(cè)量移動(dòng)。可以相信的是還可以通過(guò)使聚合物層34暴露于 較小濃度的咖啡因但是長(zhǎng)達(dá)于10分鐘的時(shí)間段來(lái)實(shí)現(xiàn)峰值像素的可測(cè)量移動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的傳感器可以用作浄化系統(tǒng)的一部分。例如，在水的情況下，如果在水中檢測(cè)到RNase (或其它目標(biāo)實(shí)體)，則知道水被污染了。在這種情況下，將水處理掉，井清潔用來(lái)浄化水的浄化系統(tǒng)以便去除污染。應(yīng)注意的是可以使用傳感器作為凈化任何所選液體的浄化系統(tǒng)的一部分。由于要傳感的實(shí)體的存在而引起的聚合物層34的折射率的變化源自于通過(guò)具有不同折射率的目標(biāo)實(shí)體進(jìn)行的液體的從接收位點(diǎn)54的移位，該液體具有特定折射率。在所述實(shí)施方式中，液體是水，并且目標(biāo)實(shí)體具有大于水的折射率。同樣地，當(dāng)水通過(guò)目標(biāo)實(shí)體而移位時(shí)，聚合物層34的折射率増加。然而，如果液體將具有比目標(biāo)實(shí)體更大的折射率，則目標(biāo)實(shí)體將在其被接收在接收位點(diǎn)54中時(shí)引起聚合物層34的折射率的減小?？梢砸耘c聚合物34的折射率的増加的檢測(cè)類(lèi)似的方式來(lái)檢測(cè)聚合物層34的折射率的減小的檢測(cè)。使用光學(xué)傳感器來(lái)檢測(cè)水浄化系統(tǒng)內(nèi)的污染物提供兩個(gè)益處。首先，不限于檢測(cè)特定類(lèi)型的細(xì)菌，而是能夠替代地檢測(cè)大范圍的細(xì)菌(因?yàn)楣鈱W(xué)傳感器傳感污染物存在和/或分解的產(chǎn)物)。同樣地，不僅能夠檢測(cè)大范圍的細(xì)菌，而且如果其最近已不再是活的，也能夠?qū)ζ溥M(jìn)行檢測(cè)。其次，不同于當(dāng)前存在的用于RNase的許多測(cè)試，RNase不必是活的以使其能夠被檢測(cè)。當(dāng)前測(cè)試依賴(lài)于使用RNase在反應(yīng)內(nèi)的活力以便顯示其存在。然而，本發(fā)明的實(shí)施方式不要求RNase是活的，因?yàn)樗枰膬H僅是官能團(tuán)的形狀和相對(duì)取向以便將RNase接收在接收位點(diǎn)54中并因此進(jìn)行檢測(cè)。同樣地，能夠如活的RNase —樣檢測(cè)已變性的RNase。這具有優(yōu)點(diǎn)，即能夠在大范圍的環(huán)境中檢測(cè)RNase，例如在一定的溫度和pH值范圍內(nèi)。還可以在多種溶劑類(lèi)型中檢測(cè)RNase。這消除了對(duì)例如緩沖劑的附加試劑的需要，并使得能夠在水中進(jìn)行RNase的檢測(cè)。在檢測(cè)RNase時(shí)對(duì)試劑和特殊環(huán)境條件的要求的不存在提供傳感器10能夠形成連續(xù)檢測(cè)體系的一部分的附加益處。在連續(xù)檢測(cè)體系中，傳感器10在導(dǎo)管32內(nèi)通信，流體(例如水)連續(xù)地流過(guò)導(dǎo)管32。檢測(cè)器提供實(shí)時(shí)地指示流體中的目標(biāo)實(shí)體的存在(或其它)的連續(xù)輸出信號(hào)。
目標(biāo)實(shí)體56與分子壓印接收位點(diǎn)54之間的相互作用的強(qiáng)度可以是高的。因此，在一些情況下，一旦目標(biāo)實(shí)體56被保持在接收位點(diǎn)54中，可能不可能將其去除。在這種情況下，光學(xué)傳感器10或至少其波導(dǎo)12部分將是一次性使用設(shè)備且一旦已檢測(cè)到污染，則可以進(jìn)行替換。在一些情況下，可能可以使用與用來(lái)在分子壓印過(guò)程期間去除模板實(shí)體42的類(lèi)似的過(guò)程來(lái)去除目標(biāo)實(shí)體56。在這已完成的情況下，可以再使用光學(xué)傳感器10。用于去除目標(biāo)實(shí)體的過(guò)程可以包括防止包含目標(biāo)實(shí)體的流體流過(guò)傳感器10，并且隨后使替換流體流過(guò)傳感器10。替換流體包含適合于從接收位點(diǎn)54去除結(jié)合的目標(biāo)實(shí)體56的試劑。一旦目標(biāo)實(shí)體被去除，則停止替換流體的流動(dòng)。然后重新開(kāi)始傳感器10的正常操作。圖11和12示意性地示出可以用以構(gòu)造波導(dǎo)12的兩個(gè)替換方式。在圖11中，波導(dǎo)12包括金屬層38、分子壓印聚合物層34和導(dǎo)管32，流體31可以流過(guò)導(dǎo)管32 (在使用中，導(dǎo)管包含水或某個(gè)其它流體)。導(dǎo)管32可以采取可以被以液密方式附著于分子壓印聚 合物層34的流路池(flow cell)(未示出)的形式。導(dǎo)模59在分子壓印聚合物層34上居于中心，其具有比導(dǎo)管31中的流體高的折射率。在圖12中，波導(dǎo)12包括金屬層38、波導(dǎo)層58、分子壓印聚合物層34和導(dǎo)管32。波導(dǎo)層58位于金屬層38與分子壓印聚合物層34之間，并具有比分子壓印聚合物層高的折射率。導(dǎo)模在波導(dǎo)層58上居于中心，并且導(dǎo)模的倏逝成分延伸到分子壓印聚合物層中。圖11和12所示的替換波導(dǎo)構(gòu)造以類(lèi)似方式起作用。其之間的差別是圖11所示的波導(dǎo)的靈敏度高于圖12所示的波導(dǎo)的靈敏度，因?yàn)楦嗟墓鈧鬟f至分子壓印聚合物層34中。換言之，在圖11所示的實(shí)施方式中，由于分子壓印聚合物層34與波導(dǎo)層58是同一個(gè)，所以分子壓印聚合物層34與入射光之間的相互作用更強(qiáng)，導(dǎo)致對(duì)目標(biāo)實(shí)體的更大靈敏度。如先前所討論的，形成依照本發(fā)明的光學(xué)傳感器的部分的波導(dǎo)的諧振入射角取決于分子壓印聚合物層的折射率。其它因素也可以影響諧振入射角。圖13和14是示出三個(gè)不同波導(dǎo)的響應(yīng)的圖表。特別地，圖13和14示出作為用于三個(gè)波導(dǎo)的入射角的函數(shù)的測(cè)量輻射強(qiáng)度的圖表。這些圖表所示的結(jié)果是通過(guò)使用圖I所示的設(shè)備將光指引到每個(gè)波導(dǎo)中獲得的。光在一定入射角范圍內(nèi)指向每個(gè)波導(dǎo)。在這種情況下，所使用的光源是激光且用檢測(cè)器來(lái)以任意單位測(cè)量光的強(qiáng)度。每個(gè)波導(dǎo)具有分子壓印層，其是根據(jù)在以上實(shí)施例4中詳述的方法實(shí)現(xiàn)的咖啡因壓印溶膠-凝膠層。除了每個(gè)是通過(guò)以不同的速度和/或在不同的時(shí)間段內(nèi)將分子壓印聚合物層旋涂到金屬層上形成的之外，每個(gè)波導(dǎo)是相同的。在不同條件(例如不同的自旋速度和/或在不同的時(shí)間段內(nèi))下旋涂分子壓印聚合物可以影響形成的分子壓印層的厚度和/或所形成的分子壓印聚合物層的表面上的任何表面缺陷的程度和/或嚴(yán)重性。其它變量保持恒定，包括金屬層的厚度。在圖13內(nèi)，線80、81和82示出已通過(guò)旋涂分子壓印聚合物層分別達(dá)8000rpm下30秒、7000rpm下20秒和7000rpm下30秒來(lái)制造的三個(gè)單獨(dú)波導(dǎo)的響應(yīng)。波導(dǎo)的響應(yīng)被示為外部耦合角的函數(shù)。參考圖1，外部耦合角是波導(dǎo)12的標(biāo)準(zhǔn)表面與來(lái)自光源16的輸入光入射在棱鏡14上的方向之間的角。在圖14內(nèi)，線83、84和85示出與如在圖13中相同的波導(dǎo)的響應(yīng)，其中，波導(dǎo)是通過(guò)旋涂分子壓印聚合物層分別達(dá)8000rpm下30秒、7000rpm下20秒和7000rpm下30秒來(lái)制造的。波導(dǎo)的響應(yīng)被示為內(nèi)部耦合角的函數(shù)。參考圖1，內(nèi)部耦合角是波導(dǎo)12的標(biāo)準(zhǔn)表面與來(lái)自管管16的輸入光隨著其朝著波導(dǎo)12行進(jìn)而通過(guò)棱鏡14的方向之間的角。圖13和14顯示波導(dǎo)的諧振入射角(其與圖表內(nèi)的每個(gè)峰值的位置有夫)受到用來(lái)旋涂分子壓印聚合物層的條件的影響。特別地，圖表顯示具有被旋涂達(dá)較短時(shí)間(20秒)的分子壓印聚合物層的波導(dǎo)具有比用于被旋涂達(dá)較長(zhǎng)時(shí)間(30秒)的波導(dǎo)的諧振入射角小約2度的諧振入射角。圖13和14的圖表還顯示從具有被旋涂達(dá)較短時(shí)間(20秒)的分子壓印聚合物層的波導(dǎo)輸出的光的測(cè)量強(qiáng)度小于從具有被旋涂達(dá)較長(zhǎng)時(shí)間(30秒)的壓印分子聚合物層的波導(dǎo)輸出的光的測(cè)量強(qiáng)度。被旋涂達(dá)相對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的波導(dǎo)的更大諧振入射角和更大光輸出強(qiáng)度可以源自于這樣的事實(shí)，即增加旋涂時(shí)間降低形成的分子壓印聚合物層的表面上的任何表面缺陷的程度和/或嚴(yán)重性。通過(guò)降低任何表面缺陷的程度和/或嚴(yán)重性，這將導(dǎo)致分子壓印聚合物層的表面更平。通過(guò)使分子壓印聚合物層的表面更平，這可以減少被表面散射的入射在分子 壓印聚合物層的表面上的光的量。増加旋涂時(shí)間還可以減小形成的分子壓印聚合物層的厚度。圖15和16是示出四個(gè)不同條件下的波導(dǎo)的響應(yīng)的圖表。特別地，該圖表示出作為用于四個(gè)不同條件下的波導(dǎo)的入射角的函數(shù)的測(cè)量輻射強(qiáng)度。該結(jié)果是通過(guò)使用圖I所示的設(shè)備將光指引到每個(gè)波導(dǎo)中獲得的。光在一定入射角范圍內(nèi)指向每個(gè)波導(dǎo)。在這種情況下，所使用的光源是激光且用檢測(cè)器來(lái)以任意單位測(cè)量光的強(qiáng)度。用來(lái)獲得圖15和16所示的結(jié)果的波導(dǎo)具有分子壓印層，其為根據(jù)在以上實(shí)施例4中詳述的方法實(shí)現(xiàn)的咖啡因壓印溶膠-凝膠層。用以測(cè)量波導(dǎo)的響應(yīng)的第一條件是當(dāng)在已經(jīng)產(chǎn)生波導(dǎo)之后已用水洗滌波導(dǎo)的分子壓印聚合物層時(shí)。用以測(cè)量波導(dǎo)的響應(yīng)的第二條件是當(dāng)已經(jīng)用水和隨后的こ醇洗滌分子壓印聚合物層時(shí)。用以測(cè)量波導(dǎo)的響應(yīng)的第三條件是已經(jīng)用水、隨后是こ醇來(lái)洗滌分子壓印聚合物層并隨后使其暴露于咖啡因溶液達(dá)I分鐘的時(shí)段。用以測(cè)量波導(dǎo)的響應(yīng)的第四條件是已經(jīng)用水、隨后是こ醇來(lái)洗滌分子壓印聚合物層并隨后使其暴露于咖啡因溶液達(dá)5分鐘的時(shí)段。在圖15和16內(nèi)，線86和90示出第一條件下的波導(dǎo)的響應(yīng)；線87和91示出第二條件下的波導(dǎo)的響應(yīng)；線88和92示出第三條件下的波導(dǎo)的響應(yīng)且線89和93示出第四條件下的波導(dǎo)的響應(yīng)。圖15所示的不同條件下的波導(dǎo)的響應(yīng)被示為外部耦合角的函數(shù)。參考圖1，外部率禹合角是波導(dǎo)12的標(biāo)準(zhǔn)表面與來(lái)自光源16的輸入光入射在棱鏡14上的方向之間的角。圖16所示的不同條件下的波導(dǎo)的響應(yīng)被示為內(nèi)部耦合角的函數(shù)。參考圖1，內(nèi)部耦合角是波導(dǎo)12的標(biāo)準(zhǔn)表面與來(lái)自光源16的輸入光通過(guò)棱鏡14的方向之間的角。與其中已僅用水或分別用水和こ醇來(lái)洗滌分子壓印層的波導(dǎo)的條件的相比，圖15和16顯示波導(dǎo)的諧振入射角(其與圖表內(nèi)的每個(gè)峰值的位置有夫)對(duì)于其中分子壓印聚合物層已被暴露于咖啡因的波導(dǎo)的兩個(gè)條件(第三和第四條件)而言是更大的。特別地，具有已被暴露于咖啡因的分子壓印聚合物層的波導(dǎo)的條件(第三和第四條件)具有比其中已僅用水(第一條件)或分別用水和こ醇(第二條件)來(lái)洗滌分子壓印聚合物層的那些大了約O. 5度的諧振入射角。如先前所討論的，這是因?yàn)榭Х纫蚺c分子壓印聚合物層的接收位點(diǎn)結(jié)合并從而増加分子壓印聚合物層的折射率。此外，可以看到波導(dǎo)的諧振入射角對(duì)于波導(dǎo)的第四條件(其與線89和93中的每ー個(gè)的峰值的位置有夫)而言比其對(duì)于波導(dǎo)的第三條件(其與線88和92的每個(gè)峰值的位置有關(guān))而言更大?？梢哉J(rèn)為這是因?yàn)榈谒臈l件下的波導(dǎo)被暴露于目標(biāo)實(shí)體(咖啡因)溶液比第三條件下的波導(dǎo)更長(zhǎng)的時(shí)間。因此，與第三條件下的波導(dǎo)相比，存在用于目標(biāo)實(shí)體(咖啡因)與第四條件下的波導(dǎo)的接收位點(diǎn)結(jié)合的更大機(jī)會(huì)。為此，與第三條件下的波導(dǎo)相比，更多的目標(biāo)實(shí)體(咖啡因)可以與第四條件下的波導(dǎo)結(jié)合，因此將第四條件下的波導(dǎo)的折射率増加至比第三條件下的波導(dǎo)更大的程度。在以上描述中，已經(jīng)使用光到漏導(dǎo)模中的諧振耦合來(lái)提供傳感層的折射率的變化的檢測(cè)。在替換設(shè)置中，可以使用表面等離子體諧振來(lái)檢測(cè)折射率變化。表面等離子體是沿著金屬與電介質(zhì)之間的界面?zhèn)鞑サ碾姶挪āＳ捎陔姶挪ㄔ诮饘俸碗娊橘|(zhì)的邊界上，其對(duì)此邊界處的任何變化非常敏感。可以構(gòu)造其中分子壓印聚合物層位于金屬層上的波導(dǎo)，并且使用表面等離子體諧振來(lái)檢測(cè)分子壓印聚合物層的光學(xué)性質(zhì)的變化。
可以使用其它光學(xué)檢測(cè)機(jī)制來(lái)檢測(cè)分子壓印聚合物層的折射率(或其它光學(xué)性質(zhì))的變化。提供漏導(dǎo)模的波導(dǎo)允許與被用于表面等離子體諧振的那些相比使用具有相對(duì)低的折射率的材料來(lái)形成分子壓印聚合物層34或波導(dǎo)層58。這可以使得更容易使用多種材料，包括例如聚合物、溶膠-凝膠或水凝膠。使用漏導(dǎo)模的另ー優(yōu)點(diǎn)是由于在傳感層34與流體31的折射率之間存在相對(duì)小的差，所以漏模被激發(fā)的諧振角是相對(duì)鋭角的。術(shù)語(yǔ)‘相對(duì)銳角’意圖意指比在使用表面等離子體諧振作為檢測(cè)機(jī)制的情況下將實(shí)現(xiàn)的更加成鋭角。表面等離子體諧振傳感器可能難以使用，因?yàn)槠淅梅浅１〉慕饘賹樱浜穸炔荒鼙蝗菀椎剡x擇。與入射光落在表面等離子體諧振傳感器上的角相組合的金屬層厚度確定與分子壓印聚合物層相交互的表面模的倏逝波分量的穿透深度。改變?nèi)肷涔獾慕峭ǔＴ试S將倏逝波的穿透深度從幾微米調(diào)至幾十納米。由于不能容易地改變金屬層厚度，所以不能容易地選擇倏逝波的穿透深度和因此的檢測(cè)深度的范圍。與此相反，當(dāng)使用漏導(dǎo)模時(shí)，控制倏逝光的穿透的主要是波導(dǎo)層的厚度。由干與表面等離子體諧振中的金屬層相比，分子壓印聚合物層34是相對(duì)厚的，所以能夠更容易地控制其厚度和因此的在波導(dǎo)層之上的倏逝波穿透深度。通常，漏波導(dǎo)的波導(dǎo)層的厚度比在表面等離子體諧振構(gòu)造中使用的金屬層厚了約十倍。倏逝波的穿透的控制的元件在使用例如圖12所示的構(gòu)造時(shí)是有用的，因?yàn)槠湓试S控制光到分子壓印聚合物層中的穿透度。當(dāng)測(cè)量分子壓印聚合物層的折射率變化時(shí)，厚波導(dǎo)層的使用是特別有利的(在這種情況下，波導(dǎo)層和分子壓印聚合物層是同一個(gè))。這是由于這樣的事實(shí)，即，通常，波導(dǎo)層的厚度越大，波導(dǎo)層能夠載送的模的階越高。在波導(dǎo)層內(nèi)能夠載送的模的階越高，保持在波導(dǎo)層內(nèi)的入射在波導(dǎo)上的光的比例越大且因此傳感器對(duì)波導(dǎo)層的折射率變化的靈敏度越大。在表面等離子體諧振的情況下，指向傳感器的光是橫向磁(TM)偏振光。已知漏模波導(dǎo)的缺點(diǎn)是在一些情況下要求檢測(cè)光學(xué)裝置來(lái)檢測(cè)從波導(dǎo)返回的光的強(qiáng)度的下沉并遵循該下沉的角移動(dòng)。光的不存在固有地比光強(qiáng)度的峰值更加難以檢測(cè)。因此在漏波導(dǎo)模被激發(fā)時(shí)使用金屬層38來(lái)提供光強(qiáng)度的峰值可能是有利的。
可以將波導(dǎo)的尺寸選擇為使得其激發(fā)多種數(shù)目的模?？梢詫⒉▽?dǎo)的尺寸選擇為從而確定倏逝波的穿透深度。用于波導(dǎo)的適當(dāng)尺寸的選擇可以取決于所使用的光的波長(zhǎng)?？梢允褂没旧蠟閱紊墓庠?6。單色光源的實(shí)施例包括LASERs和RCLEDs (諧振腔發(fā)光二極管)。雖然在以上描述中已經(jīng)給出波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的特定實(shí)施例，但可以使用其它適當(dāng)?shù)牟▽?dǎo)結(jié)構(gòu)。雖然以上描述指的是RNase的檢測(cè)，但在水中，可以使用其它目標(biāo)實(shí)體。目標(biāo)實(shí)體可以在除水之外的流體中。雖然分子壓印聚合物層被定義為是多孔的，但可以使用無(wú)孔分子壓印聚合物層。在這已完成的情況下，將僅在分子壓印聚合物層的上表面處接收目標(biāo)實(shí)體，并且合成的信號(hào)因此將不如由本發(fā)明的所示實(shí)施方式提供的那么強(qiáng)。是否可以將分子壓印聚合物層視為是多孔的取決于目標(biāo)實(shí)體是否能夠通過(guò)分子壓印聚合物層擴(kuò)散。在確定情況是否如此時(shí)有關(guān)的ー個(gè)因素是腔體52和目標(biāo)實(shí)體的相對(duì)尺寸。通常，如果腔體52在尺寸方面處于相同的階或比目標(biāo)實(shí)體大，則分子壓印聚合物層很可能是多孔的。如果分子壓印聚合物層不是多孔的，則由分子壓印聚合物層進(jìn)行的目標(biāo)實(shí)體的任何俘獲將在分子壓印聚合物層的表面處發(fā)生。在這種情況下，可能期望具有波導(dǎo)(分子壓印聚合物層)層，其具有僅能夠載送單模的厚度。這將使入射在波導(dǎo)上的光的倏逝分量最大化并因此增加傳感器對(duì)在波導(dǎo)層的邊緣處或外面的目標(biāo)實(shí)體的靈敏度。 雖然本發(fā)明的所述實(shí)施方式涉及具有分子壓印聚合物層的波導(dǎo)，但本發(fā)明可以替換地包括已被分子壓印的非聚合物層。
權(quán)利要求
1.ー種光學(xué)傳感器，該光學(xué)傳感器包括具有傳感層的波導(dǎo)，所述傳感層被分子壓印，使得所述傳感層接收并保留將被傳感的目標(biāo)實(shí)體，所述光學(xué)傳感器還包括檢測(cè)設(shè)備，所述檢測(cè)設(shè)備被設(shè)置為檢測(cè)當(dāng)所述傳感層接收并保留所述目標(biāo)實(shí)體時(shí)發(fā)生的所述波導(dǎo)的光學(xué)性質(zhì)的變化。
2.如權(quán)利要求I所述的光學(xué)傳感器，其中，所述傳感層包括具有適合于接收所述目標(biāo)實(shí)體的形狀的接收位點(diǎn)。
3.如權(quán)利要求I或權(quán)利要求2所述的光學(xué)傳感器，其中，所述傳感層包括具有與所述目標(biāo)實(shí)體的官能團(tuán)互補(bǔ)的官能團(tuán)的接收位點(diǎn)。
4.如前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)傳感器，其中，所述傳感層是多孔的。
5.如前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)傳感器，其中，其中檢測(cè)到變化的光學(xué)性質(zhì)是折射率。
6.如前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)傳感器，其中，所述目標(biāo)實(shí)體是核糖核酸酶。
7.如前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)傳感器，其中，所述目標(biāo)實(shí)體是非活性的。
8.如前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)傳感器，其中，所述波導(dǎo)是漏模波導(dǎo)。
9.如前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)傳感器，其中，所述波導(dǎo)包括具有比所述傳感層的折射率高的折射率的材料層。
10.如權(quán)利要求9所述的光學(xué)傳感器，其中，所述材料層是金屬層。
11.如前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)傳感器，其中，所述傳感層是聚合物層。
12.如前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)傳感器，其中，所述傳感器形成作為凈化系統(tǒng)的部分的污染檢測(cè)器的部分。
13.ー種使用光學(xué)傳感器的光學(xué)傳感的方法，所述光學(xué)傳感器包括具有傳感層的波導(dǎo)，所述傳感層被分子壓印，使得所述傳感層將接收并保留目標(biāo)實(shí)體，所述方法包括 將傳感器的一部分定位于流體流動(dòng)路徑中，該流體流動(dòng)從而接觸所述傳感層的至少ー個(gè)表面； 將光耦合進(jìn)所述波導(dǎo)的導(dǎo)模中，使得所述傳感層接收所述光中的至少一些；以及 監(jiān)測(cè)從所述波導(dǎo)輸出的光的性質(zhì)，該性質(zhì)在分子壓印層接收并保留目標(biāo)實(shí)體的情況下改變。
14.如權(quán)利要求13所述的光學(xué)傳感的方法，其中，所述傳感層相對(duì)于流動(dòng)流體而言是多孔的，從而允許流體擴(kuò)散到所述傳感層中。
15.如權(quán)利要求13或權(quán)利要求14所述的光學(xué)傳感的方法，其中，所述傳感層包括具有適合于接收所述目標(biāo)實(shí)體的形狀的接收位點(diǎn)。
16.如權(quán)利要求13至15中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)傳感器，其中，所述傳感層包括具有與所述目標(biāo)實(shí)體的官能團(tuán)互補(bǔ)的官能團(tuán)的接收位點(diǎn)。
17.如權(quán)利要求13至16中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)傳感的方法，其中，被監(jiān)測(cè)的輸出光的性質(zhì)是光的強(qiáng)度和/或光從所述波導(dǎo)輸出的角度。
18.如權(quán)利要求13至17中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)傳感的方法，其中，將被傳感的實(shí)體是核糖核酸酶。
19.如權(quán)利要求13至18中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)傳感的方法，其中，所述核糖核酸酶是非活性的。
20.如權(quán)利要求17至19中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)傳感的方法，其中，所述流體是水。
21.如權(quán)利要求17至20中任意一項(xiàng)所述的光學(xué)傳感的方法，其中，將被傳感的實(shí)體是污染物或污染物的產(chǎn)物。
全文摘要
一種光學(xué)傳感器，該光學(xué)傳感器包括具有傳感層的波導(dǎo)，所述傳感層被分子壓印，使得所述傳感層接收并保留將被傳感的目標(biāo)實(shí)體，所述光學(xué)傳感器還包括被檢測(cè)設(shè)備，所述檢測(cè)設(shè)備被設(shè)置為檢測(cè)當(dāng)所述傳感層接收并保留所述目標(biāo)實(shí)體時(shí)發(fā)生的所述波導(dǎo)的光學(xué)性質(zhì)的變化。
文檔編號(hào)G01N33/543GK102687016SQ201080051302
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2010年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月11日
發(fā)明者N·J·戈達(dá)德, P·泰勒 申請(qǐng)人:Emd密理博公司